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摘要：随着高层建筑往更高的方向发展，其抗震性能也变得越来越重要。本文详细的介绍了高层建筑抗震设计中应注意的几个基本问题，阐述了高层建筑抗震计算中的常用方法，最后利用算例探讨了地震作用下高层建筑动力响应的变化规律。
关键词：高层建筑；抗震设计；时程分析；有限元
Abstract: with the high building to higher the direction of development, the seismic performance also becomes more and more important. This paper introduced the seismic design of high-rise building should be paid attention in the several basic problems, this paper expounds the high-rise buildings in the calculation of the seismic commonly used method, and finally discusses the numerical example under seismic action high-rise building the change rule of dynamic response.
Keywords: high building; Seismic design; Time history analysis; Finite element
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A文章编号：
1 引言
近年来，随着我国经济的不断进步，高层建筑也得到了迅速的发展。我国已成为高层建筑发展的中心之一，如上海、广州、深圳等城市均涌现了大量的高层建筑。随着此类建筑的不断增多，其结构抗震分析和设计也变得越来越重要。特别由于我国处于地震多发地区，地震荷载是控制结构安全性的主要荷载之一，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务，高层建筑结构的抗震仍然是建筑物安全考虑的重要问题。因此，如何准确的评估地震荷载、获得经济合理的高层建筑抗震设防体系是大型土木工程设计面临的首要问题[1,2]。目前，一些设计人员在设计中常常产生一系列设计问题，造成浪费的同时，重点部位的设计却还不满足受力需要，存在安全隐患。下面主要分析讨论工程实践中经常遇到的问题，并给出设计建议。
2 高层建筑抗震设计中应注意的问题
一是结构超高的问题。在我国抗震规范与高层建筑设计规范中[3,4]，对高层建筑结构的总高度有相应的限制，规范将高层建筑结构的最大适用高度区分为A级和B级两类。结构工程师必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为B级高度建筑甚，其设计方法和处理措施将有较大的变化，应进行专门的研究和可行性论证，且应按有关规定进行超限高层建筑的抗震设防专项审查复核，并采取有效的措施以保证结构的抗震安全性。房屋高度超过B级高度的特殊工程，则应通过专门的审查、论证，补充更严格的计算分析，必要时进行相应的结构试验研究，采取专门的加强构造措施。超限高层的抗震设计，可以按抗震规范中规定进行结构抗震性能设计。
二是建筑场地的选取。云南大多位于山区或半山区，可利用的平地资源相当有限。随着经济社会的不断发展，城乡建设用地需求不断增加，坝区耕地资源持续减少，土地开发与保护的矛盾越来越突出。云南省将实施差别化的土地政策，引导“城镇上山”和工业项目上山，推动城镇尽量向山坡、丘陵发展，多利用荒山荒坡搞建设。建筑场地的选取直接关系到建设投资有抗震安全的问题。由于城市化进程的加速，城市人口的增多和建筑用地的相对缩小，不少建筑商往往忽略了这一问题。高层建筑应尽量建于开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地，建设场地还应尽量远离河岸，不应跨两类土壤上，避开不利地形、不采用震陷土作天然地基，避免在断层、
山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋。高层建筑的地基选取不恰当可能导致其抗震能力差。
三是材料和结构体系的选择问题。在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系更为合理的问题应得到设计人员的足够重视。我国已建或在建的高层建筑主要以钢筋混凝土及混合结构为主，然而如此高的钢筋混凝土或混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。此外，我国高层建筑结构往往采用框架-核心筒体系，此种体系优点是用钢量少，柱子断面较小。但其弯曲变形的侧移较大，若要减小侧移需要靠刚度很小的钢框架协同工作，这不仅增大了钢结构的负担，并且效果也不明显，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。然而加强层将会使本层的刚度增大从而导致结构刚度突变，并且会使与加强层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件与外框架柱连接处也很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。
3 高层建筑抗震设计方法
结构地震反应是一种动力反应，其大小不但与地震动特性有关，还与结构的动力特性有关，一般需要采用结构动力学方法分析才能得到。目前常用的地震分析方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。
（1）底部剪力法
底部剪力法是一种拟静力法，一般只适用于高度不超过40 米的竖向刚度均匀变化的结构。它把地震作用当作等效静力荷载来计算结构最大地震反应，其计算量比较小，但由于忽略了高阶振型的影响，且对第一振型也作了简化，因此計算精度稍差。
（2）振型分解反应谱法
振型分解反应谱法是利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析，它属于一种拟动力法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自于振型组合时关于地震动随机特性的假定。
（3）时程分析法
时程分析法是随着电子计算机技术和试验技术的发展而发展起来的一种计算方法。该方法通过选择一定的地震波，直接输入到所设计的结构，然后对结构的运动微分方程进行数值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。时程分析法属于一种完全动力法，计算量大，但计算精度很高，可分为振型分解法和逐步积分法两种，而逐步积分法则又包含线形加速度法、纽马克 法等多种求解方式。
下面以单质点弹性体系为例，说明按线性加速度求解运动方程的基本原理[5]。这种方法的基本假定是，质点的加速度反映在任一微小时段，即积分时段 内的变化呈线性关系。设已求出 时刻质点的地震位移 、速度 和加速度 ，现求经过时段 后在 时刻的位移 、速度 和加速度 。
线性加速度的变化率为：
（1）
现将质点位移加速度分别在 时刻按泰勒级数展开：
(2)
(3)
将式（1）代入式(2)和式(3)，并注意到式(2)和式 (3)中 的四阶以上导数均为零，于是：
（4）
（5）
时刻质点加速度，可前面得出：
（6）
式（4）-式（6）为 时刻关于的代数方程组。
时程分析法尽管计算精度较高，但也有它的不足之处。由于其计算时采用的地震波都是已经发生的地震波或者是人工波，而真正的地震波是随机的，而时程分析是不能把“所有”的波都考虑到。
（4）基于性能的抗震设计
基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，。它的特点是：使抗震设计从宏觀性的目标向具体量化的多重目标转变，按使用功能类别和遭遇地震影响的程度，提出多个预期的性能目标，包括结构的、非结构的、附属设施的各种具体性能目标，由业主选择具体工程的预期目标；抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证，有利于建筑物的创新，通过论证（包括实验）可以采用现行标准规范还未规定的新结构体系、新技术、新材料；有利于针对不同设防烈度、场地条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。随着近年来越来越多的超限高层建筑和体型复杂不规则的建筑的出现，使得这一方法成为抗震设计的发展方向，基于性能的抗震设计在现行抗震设计规范中已经引入。
4地震作用下高层建筑动力时程分析算例
有一高层建筑高240m，共60层。根据其结构设计图纸建立有限元数学模型如图1所示，其中各楼层用三维质量单元进行模拟，而柱、剪力墙等竖向承重构件用梁单元进行模拟。利用有限元动力特性分析模块计算的结构X向前两阶振型分别是0.161Hz和0.490Hz，Y向前两阶振型分别是0.159Hz和0.487Hz。本文计算选用的地震波为随机生成的地震加速度模拟数据（如图2所示），经瞬态动力分析计算得到的结构顶部加速度响应如图3所示。由图可知，尽管输入的地震波幅值较小，但由于结构的动力放大效应，仍然导致结构上部出现了较大的动力响应。
图1 有限元模型 图2 基底地震波 图3 顶部加速度反应
5结论
随着社会的发展、结构设计理念的创新及施工技术的进步，促使高层建筑往更高的方向发展，其在地震作用下的安全性也变的尤为重要。但由于高层建筑抗震设计属于繁重而复杂的过程,对于超限高层建筑结构，抗震设计变得尤为重要，设计时一定要从多个方面同时入手，从而获得即经济又安全可靠的设计结果。总之，高层建筑抗震设计将是目前我国建筑设计机构的重点设计内容，选择有利的建筑场地，另外重视建筑平、立、剖面及构件布置的规则性，在高层建筑抗震设计中避免短柱问题等，对于建筑结构的防震中尤为重要。
参考文献：
[1]李爱群，高振世，工程结构抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007年。
[2]李国强，李杰，苏小卒，建筑结构抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2008年。
[3] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].
[4]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[5]R.W.克拉夫、J.彭津, 结构动力学[M].,北京：科学出版社，1988年。
关键词：高层建筑；抗震设计；时程分析；有限元
Abstract: with the high building to higher the direction of development, the seismic performance also becomes more and more important. This paper introduced the seismic design of high-rise building should be paid attention in the several basic problems, this paper expounds the high-rise buildings in the calculation of the seismic commonly used method, and finally discusses the numerical example under seismic action high-rise building the change rule of dynamic response.
Keywords: high building; Seismic design; Time history analysis; Finite element
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A文章编号：
1 引言
近年来，随着我国经济的不断进步，高层建筑也得到了迅速的发展。我国已成为高层建筑发展的中心之一，如上海、广州、深圳等城市均涌现了大量的高层建筑。随着此类建筑的不断增多，其结构抗震分析和设计也变得越来越重要。特别由于我国处于地震多发地区，地震荷载是控制结构安全性的主要荷载之一，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务，高层建筑结构的抗震仍然是建筑物安全考虑的重要问题。因此，如何准确的评估地震荷载、获得经济合理的高层建筑抗震设防体系是大型土木工程设计面临的首要问题[1,2]。目前，一些设计人员在设计中常常产生一系列设计问题，造成浪费的同时，重点部位的设计却还不满足受力需要，存在安全隐患。下面主要分析讨论工程实践中经常遇到的问题，并给出设计建议。
2 高层建筑抗震设计中应注意的问题
一是结构超高的问题。在我国抗震规范与高层建筑设计规范中[3,4]，对高层建筑结构的总高度有相应的限制，规范将高层建筑结构的最大适用高度区分为A级和B级两类。结构工程师必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为B级高度建筑甚，其设计方法和处理措施将有较大的变化，应进行专门的研究和可行性论证，且应按有关规定进行超限高层建筑的抗震设防专项审查复核，并采取有效的措施以保证结构的抗震安全性。房屋高度超过B级高度的特殊工程，则应通过专门的审查、论证，补充更严格的计算分析，必要时进行相应的结构试验研究，采取专门的加强构造措施。超限高层的抗震设计，可以按抗震规范中规定进行结构抗震性能设计。
二是建筑场地的选取。云南大多位于山区或半山区，可利用的平地资源相当有限。随着经济社会的不断发展，城乡建设用地需求不断增加，坝区耕地资源持续减少，土地开发与保护的矛盾越来越突出。云南省将实施差别化的土地政策，引导“城镇上山”和工业项目上山，推动城镇尽量向山坡、丘陵发展，多利用荒山荒坡搞建设。建筑场地的选取直接关系到建设投资有抗震安全的问题。由于城市化进程的加速，城市人口的增多和建筑用地的相对缩小，不少建筑商往往忽略了这一问题。高层建筑应尽量建于开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地，建设场地还应尽量远离河岸，不应跨两类土壤上，避开不利地形、不采用震陷土作天然地基，避免在断层、
山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋。高层建筑的地基选取不恰当可能导致其抗震能力差。
三是材料和结构体系的选择问题。在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系更为合理的问题应得到设计人员的足够重视。我国已建或在建的高层建筑主要以钢筋混凝土及混合结构为主，然而如此高的钢筋混凝土或混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。此外，我国高层建筑结构往往采用框架-核心筒体系，此种体系优点是用钢量少，柱子断面较小。但其弯曲变形的侧移较大，若要减小侧移需要靠刚度很小的钢框架协同工作，这不仅增大了钢结构的负担，并且效果也不明显，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。然而加强层将会使本层的刚度增大从而导致结构刚度突变，并且会使与加强层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件与外框架柱连接处也很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。
3 高层建筑抗震设计方法
结构地震反应是一种动力反应，其大小不但与地震动特性有关，还与结构的动力特性有关，一般需要采用结构动力学方法分析才能得到。目前常用的地震分析方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。
（1）底部剪力法
底部剪力法是一种拟静力法，一般只适用于高度不超过40 米的竖向刚度均匀变化的结构。它把地震作用当作等效静力荷载来计算结构最大地震反应，其计算量比较小，但由于忽略了高阶振型的影响，且对第一振型也作了简化，因此計算精度稍差。
（2）振型分解反应谱法
振型分解反应谱法是利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析，它属于一种拟动力法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自于振型组合时关于地震动随机特性的假定。
（3）时程分析法
时程分析法是随着电子计算机技术和试验技术的发展而发展起来的一种计算方法。该方法通过选择一定的地震波，直接输入到所设计的结构，然后对结构的运动微分方程进行数值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。时程分析法属于一种完全动力法，计算量大，但计算精度很高，可分为振型分解法和逐步积分法两种，而逐步积分法则又包含线形加速度法、纽马克 法等多种求解方式。
下面以单质点弹性体系为例，说明按线性加速度求解运动方程的基本原理[5]。这种方法的基本假定是，质点的加速度反映在任一微小时段，即积分时段 内的变化呈线性关系。设已求出 时刻质点的地震位移 、速度 和加速度 ，现求经过时段 后在 时刻的位移 、速度 和加速度 。
线性加速度的变化率为：
（1）
现将质点位移加速度分别在 时刻按泰勒级数展开：
(2)
(3)
将式（1）代入式(2)和式(3)，并注意到式(2)和式 (3)中 的四阶以上导数均为零，于是：
（4）
（5）
时刻质点加速度，可前面得出：
（6）
式（4）-式（6）为 时刻关于的代数方程组。
时程分析法尽管计算精度较高，但也有它的不足之处。由于其计算时采用的地震波都是已经发生的地震波或者是人工波，而真正的地震波是随机的，而时程分析是不能把“所有”的波都考虑到。
（4）基于性能的抗震设计
基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，。它的特点是：使抗震设计从宏觀性的目标向具体量化的多重目标转变，按使用功能类别和遭遇地震影响的程度，提出多个预期的性能目标，包括结构的、非结构的、附属设施的各种具体性能目标，由业主选择具体工程的预期目标；抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证，有利于建筑物的创新，通过论证（包括实验）可以采用现行标准规范还未规定的新结构体系、新技术、新材料；有利于针对不同设防烈度、场地条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。随着近年来越来越多的超限高层建筑和体型复杂不规则的建筑的出现，使得这一方法成为抗震设计的发展方向，基于性能的抗震设计在现行抗震设计规范中已经引入。
4地震作用下高层建筑动力时程分析算例
有一高层建筑高240m，共60层。根据其结构设计图纸建立有限元数学模型如图1所示，其中各楼层用三维质量单元进行模拟，而柱、剪力墙等竖向承重构件用梁单元进行模拟。利用有限元动力特性分析模块计算的结构X向前两阶振型分别是0.161Hz和0.490Hz，Y向前两阶振型分别是0.159Hz和0.487Hz。本文计算选用的地震波为随机生成的地震加速度模拟数据（如图2所示），经瞬态动力分析计算得到的结构顶部加速度响应如图3所示。由图可知，尽管输入的地震波幅值较小，但由于结构的动力放大效应，仍然导致结构上部出现了较大的动力响应。
图1 有限元模型 图2 基底地震波 图3 顶部加速度反应
5结论
随着社会的发展、结构设计理念的创新及施工技术的进步，促使高层建筑往更高的方向发展，其在地震作用下的安全性也变的尤为重要。但由于高层建筑抗震设计属于繁重而复杂的过程,对于超限高层建筑结构，抗震设计变得尤为重要，设计时一定要从多个方面同时入手，从而获得即经济又安全可靠的设计结果。总之，高层建筑抗震设计将是目前我国建筑设计机构的重点设计内容，选择有利的建筑场地，另外重视建筑平、立、剖面及构件布置的规则性，在高层建筑抗震设计中避免短柱问题等，对于建筑结构的防震中尤为重要。
参考文献：
[1]李爱群，高振世，工程结构抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007年。
[2]李国强，李杰，苏小卒，建筑结构抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2008年。
[3] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].
[4]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[5]R.W.克拉夫、J.彭津, 结构动力学[M].,北京：科学出版社，1988年。